機載綜合射頻通信傳感器架構設計技術研究

廣州海格通信集團股份有限公司 王 健

機載綜合射頻通信傳感器架構設計技術研究

廣州海格通信集團股份有限公司 王 健

本文提出機載射頻一體化設計技術，從頂層規劃綜合射頻通信傳感器系統架構，通過標準化手段進行設計開發和過程控制，形成通用化的體系架構、模塊劃分以及統一接口，在支持現有典型通信傳感器功能的基礎之上，具備新射頻通信功能的快速擴展能力，從而最大限度地提高系統的可重用性、可靠性與維修性，并降低全生命周期使用維護成本。

綜合射頻；CNI；通信傳感器

1.引言

機載射頻系統（也可稱為射頻傳感器系統）作為機載航電的重要組成部分，其性能和技術水平的高低不僅直接決定和影響著飛機的綜合性能，更是提升其信息化程度的關鍵要素。長期以來，機載射頻通信傳感器系統采用完全獨立開發的各類通信、導航、識別裝備并“松散”的整合在整個航電系統結構內，完成所需的各種功能。就機載通信系統而言，傳統的通信設備僅能滿足單模式和窄頻段的通信需求。不同頻段通信系統之間很難實現信息交互，通常只能采用組合式無線電的方式來實現，通過激活硬件的不同狀態來完成不同系統之間的切換。這種組合無線電的體系結構需要不斷的硬件擴展才能支持更多的系統，結果導致系統尺寸的膨脹以及成本的直線上升。這些問題嚴重的限制了用戶對通信業務的功能需求的拓展，難以適應未來機載射頻輕型化、模塊化和通用化的發展趨勢。因而，急需研究機載綜合射頻體系架構，以實現未來機載的統一通信平臺。

本文針對這一需求提出先進的通信傳感器系統在進行綜合射頻設計時應采用綜合化天線孔徑，并對支撐電子部件進行共用化和模塊化設計，利用統一的資源調度和任務軟件實現硬件和傳感器感知信息的資源共享，從而實現包含通信、導航、識別等多項功能，大幅提高飛機的可靠性的同時降低成本和重量。

2.國外主要研究思路

鑒于綜合射頻技術可顯著降低傳感器全壽命周期成本、快速應對新的功能需求、動態分配系統資源、大幅降低升級費用，其發展受到世界各國的廣泛重視，尤其是在以美國為代表的歐美國家已取得了長足的發展。

綜合化射頻一般多應用于需要多種電子信息系統協同工作的空間有限的飛行平臺，按照應用環境和需求的不同，常見的綜合射頻通信傳感器的系統結構一般分為以下三種：

一是硬件通用設計的多通道結構，這種結構由于信道無法共享，設備數量相對最多、集成度較差。

二是多路可配置信道組網的方式，即按照同時使用的功能系統的最大數目來確定射頻信道數量，利用射頻開關網絡和中頻開關網絡動態連接通用模塊形成所需的多路射頻信道，這樣就可以用最少的信道來完成系統所有的功能，并且信道間具有相互備份的作用，其結構示意圖如圖1所示。這種結構既可多通道同時工作，又能夠分時共享信道資源，因而適用范圍廣，如美軍F-22的CNI系統以及F-35的航電系統都是基于該種構架。這種“結構綜合”的理念擯棄了過去的“一次只設計一個功能設備”的設計方法，同時又保留了原先的CNI設備功能，不僅使得綜合后的機載CNI系統的體積重量功耗和成本費用大大降低，而且可靠性可維護性可擴展性方面的性能也明顯提高。但這種結構的波形重構能力差。

圖1 多通路綜合化射頻信道結構示意圖

三是基于軟件無線電結構（SCA）的統一通信平臺系統，這種系統的射頻信道和數字信號處理都采用了統一的硬件平臺，支持不同頻段波形的應用，如美軍的聯合戰術無線電系統（JTRS）。JTRS是一種硬件和軟件都采用開放系統結構的多頻段多模式軟件可重編程的無線電系統，覆蓋2MHz～2GHz的頻譜范圍，具有射頻硬件復用和波形軟件重構的能力，不但兼容傳統系統，而且提供了多種新的寬帶波形，支持話音、數據和多媒體等多種業務的傳輸，可極大地增強飛機之間的互通能力。

3.綜合射頻體系架構設計

3.1 架構描述

由于射頻系統工作的特點，通常情況下在進行射頻設計時都是采用信號鏈路的方式來描述系統的工作原理和構成，系統中每個部件之間都具有較強的耦合，接口關系復雜，難以將系統按照模塊化劃分形成層次清晰的架構。本文提出，射頻系統按照信號流向自上向下的方式進行分解，將可以共用的部分作為共性提取出來形成相對獨立的層級結構。如圖2所示，整個射頻系統按照共用部分，可劃分為6層，其中矩陣開關用作每層之間的信號通路的控制，單獨算作一層。這6層分別為：天線層、矩陣開關層、功放層、激勵器/接收器層、頻率合成器層、基帶處理層。

圖2 通用綜合射頻通信傳感器架構功能組件組成

以上各組件層除了矩陣開關層以外，其描述如下：

(1)天線組件層主要是綜合各種射頻應用的天線端。特別是在微波頻段，采用天線孔徑共用技術，可以使天線的種類和數量減少。

(2)功放組件層主要是各路射頻應用的功率放大組件，通過增加共用的方式形成模塊化，減少功放的種類和數量。

(3)激勵器/接收器組件層主要是各個頻段的射頻信號的激勵和接收通路，靈活性較高，需要兼容的模式也較多。

(4)頻率合成器組件層主要是為整個架構提供頻率源，為系統的靈活性提供支撐。

(5)基帶處理組件層主要是為各種射頻應用處理基帶信號，解析各種業務數據。

3.2 設計方法

開展機載綜合射頻的通信傳感器系統架構設計，本文提出的設計方法是：

一是采用自頂向下的研究方法，基于上一節提出的6層組建劃分思路，先建立起綜合射頻體系架構，劃分好各部分的功能和接口，然后再逐個突破關鍵技術，形成可復用的共用模塊。

二是通過構建好的體系架構和共用模塊，規劃出針對所需的通信傳感器的整體應用方案，保證本項目中建立的體系架構能夠支撐現有的使用需求。整體應用方案根據所采用的機載平臺不同，可進行適當的輕量化裁剪以適應諸如小型飛機和無人機等需要進一步精簡體積重量的應用場合。

整體的設計方法如圖3所示，這種通用綜合射頻通信傳感器系統采用統一的軟硬件平臺來實現，并通過軟件控制可編程邏輯器件和各個功能模塊，并根據需要實時動態構建不同的通信體制，從而達到在不改變射頻硬件的前提下，實現多種通信功能和傳輸體制動態切換。

圖3 通用化綜合射頻通信傳感器架構技術實現途徑

4.關鍵技術

機載綜合射頻通信傳感器一體化設計技術需采用統一的硬件體系架構，形成孔徑、射頻功放、收發激勵與可配置頻合等功能共用模塊，通過射頻、數字或光交換網絡可實現同類的多個模塊在不同功能之間的配置使用，形成通用綜合射頻體系架構。

在進行綜合射頻通信傳感器設計中，為了使整個綜合射頻體系架構能夠建立并得以支撐運行，各個組件層形成模塊化時所需要突破的關鍵技術列表如下所示。

表1 綜合射頻通信傳感器架構設計關鍵技術一覽表

4.1 天線孔徑共用技術

射頻通信傳感器的天線孔徑是涵蓋實現寬頻段話音、數據、識別、甚至雷達、電子戰等功能的射頻傳感器中的所有射頻天線。在機載平臺上，這些天線要做到體積小、重量輕、強度高和易安裝，盡可能設計成流線型、隱蔽式或采用共形，以減小對氣動性能的影響，并適應飛機的電磁兼容性要求。

4.2 模塊化射頻矩陣開關技術

在實現綜合射頻體系架構中，由于模塊化的劃分，各個層級的共用模塊之間存在著許多種通路組合。共用模塊的功能性能越全面，射頻系統的可重構性也就越強，存在的通路切換組合數量就越多。此時，傳統的射頻開關不能滿足構建通用綜合射頻系統的需求，需要具有復雜組合邏輯的開關矩陣來實現。

4.3 高速總線傳輸技術

高速總線傳輸技術是機載射頻系統研究、開發的核心問題，機載航電的更新換代都是以所采用的總線技術為依據的，因此總線技術對于綜合射頻效能的發揮至關重要。目前主流數據總線包括HB6096總線以及1553B總線等。隨著各類機載通信傳感器性能的提升，新一代機載總線技術需要重點考慮高實時性、大帶寬、高可靠性與低成本，FC-AE總線標準會是一個比較好的選擇。

4.4 模塊化寬帶功放技術

針對從短波頻段到毫米波頻段的射頻應用，一體化的功放難以實現，需要突破較寬頻段的功放一體化，使功放形成可被多種應用共用的模塊。

4.5 模塊化寬帶大動態射頻前端技術

射頻激勵器/接收器是射頻系統的關鍵通路。要使激勵器/接收器向模塊化發展，形成可被多種應用共用的模塊，支撐綜合射頻通信傳感器系統的體系架構。

4.6 模塊化頻率合成與分配技術

射頻系統中需要各種各樣的頻率源，從短波頻段到毫米波段，頻率步進變化刻度不一致，輸出幅度要求也差異較大，輸出信號類型也不盡相同。因此，實現模塊化的頻率合成與分配需要重點研究頻率規劃和多模式并存的問題。

5.結束語

傳統的機載綜合射頻系統是一個復雜的獨立設備聯合式系統，如果要將其綜合化設計，在頂層設計、資源共享、系統管理與控制方面都是難點，可以說綜合射頻系統是航空電子系統綜合的重點和難點。本文結合系統工程理論，以從上至下的設計方法構建標準體系，規范指導綜合射頻架構設計，是保證綜合射頻系統性能水平的重要手段，也有利于綜合射頻技術的有序快速發展。

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王健（1978-），男，碩士，通信與信息系統專業，工程師，研究方向為寬帶無線通信系統。